CN113865658A - 一种电磁流量转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电磁流量转换器，包括电源电路、可控恒流励磁电路、可控恒流源、励磁检测电路、可控放大电路、AD转换电路、空管检测电路、键盘与显示电路、通信接口电路。将可控电流源和可控增益放大器结合使用，分别对运放电路放大倍率和传感器励磁电流进行自动调控；通过当前计算的流量值大小，自动选择合适的放大倍率和合适的励磁电流，从而使流量计的测量范围变得更宽，量程比更大，适用范围更广。不同的放大倍率与不同的励磁电流构成了多个传统流量计的组合形式，任一组合下，相当于独立的传统电磁流量计在工作，并可以进行无缝切换，仅使用同一套硬件电路和同一套软件算法，极大地节约了成本，提高了资源的使用效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁流量计，尤其涉及一种电磁流量转换器。
背景技术
传统的电磁流量转换器，为电磁流量计的核心部件，通过设置转换器系数和传感器系数实现仪表系数的设定。转换器系数主要用于标定转换器性能，使得相同的工装在转换器上工作，达到相同的流量输出，进而得到相应的转换器系数，主要是让转换器系数使各转换器之间达到一致水平，最终实现直接替换的目的。而传感器系数，通常要通过水流量标定装置进行标定而获得，通常为了提高现场使用精度，传感器和转换器会配套使用。虽然，原理和目标上是为了可替换，但是在实际应用中，为了保证测量精度，还是配套使用。
传统的电磁流量转换器，有且仅有一套标定参数，一经出厂标定，其励磁电流和仪表系数就是固定的。其精度仅在标定范围内有效，一般也只给出了一个精度指标。针对于宽量程比的应用环境，且对精度还有一定要求的场所，这种传统的电磁流量转换器就显得苍白无力。
为了实现在现场低流速下正常使用，通常会将运算放大电路设计为多档可调的电路，通过人为设定放大档位，实现对电压的放大，从而实现对低流速信号的测量。但这种方案，仅可用于流速一直都比较低的场合，当流速变大时，传感器输出的信号也会变大，经过放大电路的放大后，极有可能使得运放电路达到饱和状态，而失去了线性放大功能，最终造成测量错误。这种方案需要人工干预倍率设置，而无法对大小流量的测量同时兼顾，且传统电磁流量计设计中有且仅有一套标定参数，导致在小流量和大流量时，精度可能存在较大差异。
为了避免大小流量精度差异的困扰，通常又会使用多段修正的方式来提高精度，而这种方法，纯属治标不治本的方法，流速太小的时候，是由于传感器输出的有效信号过小，导致容易受到干扰，同时，由于运放放大之后的电压过低，容易由于运放电路自身的噪声对流量产生贡献，最终导致测量结果的偏差。
通过人为设定励磁电流，实现对传感器的匹配，通常通过拆装采样电阻的方式改变励磁电流。这种方式，完全通过人为方式去实现传感器的匹配，当然可以通过使用机器人组装实现自动化装配。但到了现场，一旦发生不规范的安装，比如为了方便，将传感器先拿出来安装到管道上，然后再装转换器。到了最后，发生的问题就是，发货是配套发的，但是安装时，没有配套安装，导致了混装混用。对于相同励磁电流的传感器和转换器，可能只要更改一下口径就可以使用，但是如果励磁电流不一样的话，那就会直接导致测量偏差问题。
发明内容
传统的电磁流量计，有且仅有一套仪表系数，极大地制约智能流量计的发展，导致了其无法实现较大量程比，存在无法实现对大小流量同时顾及的问题。
为此，通过自动调整运算放大器的放大倍率和自动调整励磁电流的方法，提高流量计的量程比。通过多档位参数存储和自动调用的方法，保证测量精度。
针对传统的电磁流量计在使用过程中，无法实现较大量程比，即对大小流量同时顾及的问题，通过自动调整运算放大器的放大倍率，避免人工手动设置，实现自动多档信号放大，从而实现宽量程比。由于不可能存在理想电子元件，使用档位之间切换的标定参数对放大倍率进行校正，当切换档位时，自动乘上相应的标定参数，实现流量计算，以达到宽量程比的目标。为了实现更高精度的测量，可以对不同档位下，进行流量标定，在切换档位的时候使用，相应档位的标定参数进行流量计算，在实现宽量程比的同时，提高流量转换的精度。
采集电路使用放大倍数可变的放大器电路，设计多个放大档位，每个档位对应一个测量范围，当计算流速超出范围时，可自动切换档位。档位之间有重叠测量区间，当高于本档测量上限或低于本档测量下限时，自动进行切换，由于档位之间存在重叠测量区间，可以有效避免因为干扰等因素，造成误判和频繁切换。这样处理的好处是，提高了模拟放大电路输出的幅值，有利于后续数据采集。
为了进一步提高量程比，励磁电路使用可控制恒流源进行调节，为了避免相互干扰，优选可实施光电隔离技术的恒流控制电路。基于PWM控制的恒流控制电路，通过改变占空比实现电流的调节，为了提高励磁电流的输出精度，对励磁电流进行校正，并将校正的结果保存起来。隔离的恒流控制电路实现方式也可以有很多种，其中PWM的方式，由于使用的管脚少，又可以精确的控制电流大小，因此本发明中优选了这种方法。当然使用电压基准结合可控增益放大器也是可以实现多档电流调节的。
在不同励磁电流下，传感器输出的信号幅度是不同的，因此，不能使用同一仪表系数，为了保证流量计的正常使用，对多档励磁电流进行标定，得到励磁电流与传感器输出的关系，从而实现对仪表系数的修正。
本发明的技术方案如下：
一种电磁流量转换器，包括：电源电路、可控恒流励磁电路、可控恒流源、励磁检测电路、可控放大电路、AD转换电路(即ADC芯片，用于把模拟量转换为数字量)、空管检测电路、键盘与显示电路和通信接口电路。其中，电源电路使用隔离式开关电源，提供多组不同的电压，为电磁流量转换器提供稳定的隔离电源；可控恒流励磁电路用于为传感器的励磁线圈提供方向可控的电流；可控恒流源用于控制可控恒流励磁电路流过励磁线圈的电流；励磁检测电路用于判断可控恒流励磁电路是否正常工作；可控放大电路用于对模拟电压信号进行差分采集、带通滤波、电平移动等处理，使输出电压信号便于AD转换；AD转换电路用于处理可控放大电路输出的电压信号，把模拟量转换为数字量，方便MCU进行处理；空管检测电路用于判断液体是否满管；键盘和显示电路用于实现本地的人机交互；通信接口电路用于实现远程数据交互。
在电路设计上，对运算放大器的电源均使用RC滤波器，对电源纹波进行抑制，可控放大电路的核心是对反馈网络进行动态调整。
可控放大电路包括：CD4053BPWR芯片、运算放大器U10A、运算放大器U10B、电阻R30、R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41和电容C12、C13、C14、C15、C16、C17、C18；
CD4053BPWR芯片的引脚16接+5V电源；CD4053BPWR芯片的引脚6、引脚8接地；CD4053BPWR芯片的引脚9、10连接到单片机的引脚(单片机通过引脚的高低电平，控制CD4053BPWR芯片的开关状态)；CD4053BPWR芯片的引脚2与引脚4连接；CD4053BPWR芯片的引脚7接-5V电源，同时通过电容C18接地；电阻R38、R39、R40、R41串联，电阻R41未与R40连接的一端接地；CD4053BPWR芯片的引脚1与电阻R38、R39之间的节点连接，芯片的引脚3与电阻R39、R40之间的节点连接，芯片的引脚5与电阻R40、R41之间的节点连接；电阻R38未与电阻R39连接的一端与电阻R35的一端和运算放大器U10A的输出端分别连接；电阻R35的另一端与电阻R36的一端和运算放大器U10B的反相输入端分别连接，运算放大器U10B的输出端与电阻R36的另一端和电阻R34的一端分别连接；电阻R34的另一端与电容C15的一端和ADC输入端分别连接，电容C15的另一端接地；运算放大器U10B的同相输入端与电容C13、电阻R30、电阻R31的一端分别连接，电阻R31的另一端与电容C13的另一端、电容C12的一端连接并接地；电容C12的另一端与电阻R30的另一端连接并接+5V电源；运算放大器U10A的反相输入端与CD4053BPWR芯片的引脚15连接；运算放大器U10A的同相输入端与电阻R33的一端连接，电阻R33的另一端接模拟电压信号；运算放大器U10A的正电源端与电阻R32的一端和电容C14的一端分别连接，电阻R32的另一端接+5V电源，电容C14的另一端接地；运算放大器U10A的负电源端与电阻R37的一端和电容C16的一端分别连接，电阻R37的另一端接-5V电源，电容C16的另一端接地。
运算放大器U10A、运算放大器U10B的型号为TL072IDR或TLC2272AI。
可控恒流励磁电路包括：光电耦合器、反相器U5、运算放大器U6B、运算放大器U6A、金属-氧化物半导体场效应晶体管、H桥电路、电阻R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24和电容C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10；
反相器U5的型号为SN74AHC1G04；光耦使用高速光耦，如6N137；运算放大器U6B、运算放大器U6A的型号为TLC27L2IDR；金属-氧化物半导体场效应晶体管是MOS管，型号为ZVN2120。
光电耦合器的引脚2通过电阻R13接至电源3.3V；光电耦合器的引脚3接PWM信号；光电耦合器的引脚5接地；光电耦合器的引脚6与电阻R14的一端、R15的一端分别连接，光电耦合器的引脚8接电阻R11的一端；电阻R14的另一端、电阻R11的另一端以及电容C5的一端连接，并接V1(V1是光耦的电源。后面的反相器U5会对光耦的输出波形进行整形，波形电压由反相器U5的电压V2决定，所以，V1电压范围很宽，取值相对随意)；电容C5的另一端接地；电阻R15的另一端接反相器U5的输入端，反相器U5的输出端接电阻R16的一端，电阻R16的另一端与电阻R17的一端、电容C8的一端分别连接，电容C8的另一端接地；电阻R17的另一端与电阻R18的一端、电容C7的一端分别连接，电阻R18的另一端与运算放大器U6B(第一级运放，使用了3阶低通滤波器，有效地避免高频泄漏)的同相输入端、电容C9的一端分别连接，电容C9的另一端接地；运算放大器U6B的反相输入端接电阻R21的一端，电阻R21的另一端、电容C7的另一端、运算放大器U6B的输出端均接运算放大器U6A的同相输入端，运算放大器U6A的负电源端接地，运算放大器U6A的正电源端使用电阻R12和电容C6构成的低功滤波器，对电源噪声进行抑制；运算放大器U6A的反相输入端与电阻R20的一端和电容C10的一端分别连接；电阻R20的另一端与电阻R22、R23、R24的一端分别连接，电阻R22、R23、R24的另一端连接并接地；电容C10的另一端接运算放大器U6A的输出端；运算放大器U6A的输出端接电阻R19的一端，电阻R19的另一端接金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极，金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极接H桥电路，H桥电路的源极与电阻R22、R23、R24的一端分别连接。
反相器U5的电源电压V2由高精度的电压基准芯片提供，
或者，反相器U5的电源电压V2由参考电压发生电路提供，参考电压发生电路使用基准电压分压加运放跟随的方式(使用1.25v或2.5v的电压基准芯片得到基准电压，经过电阻分压得到参考电压V2ref，V2ref经过运放跟随后，得到电源电压V2)。
通信接口电路包括RS485模块、4-20mA模块、hart模块、蓝牙模块、wifi模块、sub-g模块。
电磁流量转换器具有多档位校正参数存储和调用功能，根据当前计算流量对可控放大电路和可控励磁电流进行自动调整；不同放大倍率、不同励磁电流形成多种测量组合形式，每个组合设定一个测量范围，使得组合之间存在重叠测量区间，当计算流量超出本档位测量范围时，执行档位切换，避免频繁切换档位；为了提高测量精度，每个组合下都有一个经标定的仪表系数；为了降低标定复杂度，通过对放大倍率和励磁电流进行影响因子分解，分别标定出单独改变放大倍率与励磁电流的影响因子，进而得到所有组合的仪表系数。
这个方法也可以降低标定的次数，节省的标定次数为m*n-(m+n-1)，m、n分别为励磁电流和放大倍率的档位数。
本发明的有益效果：将可控电流源和可控增益放大器结合使用，分别对运放电路放大倍率和传感器励磁电流进行自动调控；可控电流源控制励磁电流，可控增益放大器控制放大倍数，通过当前计算的流量值大小，自动选择合适的放大倍率和合适的励磁电流，从而使流量计的测量范围变得更宽，量程比更大，适用范围更广。当流速变低或变高时，通过调节放大倍率，保证运放电路的最终输出电压不失真且尽可能大，并且输出电压要满足ADC采集的电压要求，在放大倍率转换的过程中，存在倍率的重叠区，使得放大倍率(档位)切换不会太频繁，保证稳定性；当流速很低或很高时，通过调节励磁电流，改变传感器的输出电压，使其经过放大电路之后的放大电压满足ADC采集的电压要求。配合使用这两种方法，可以极大地扩宽量程比。
使用可控增益放大器，可以使用较小的流量装置对流量计进行标定，解决传统标定方法中，装置的流量范围无法满足测量范围的问题。
通过可控电流源和可控增益放大器的结合使用，使得流量计的测量范围变得更宽，量程比更大，适用范围更宽。
多个档位参数校正、存储及自动调用，以保证测量精度。
档位之间的测量范围存在重叠，通过迟滞比较器的模型，避免档位频繁切换。
可控制电路的运行模式可设定为自动和手动，在手动模式下，方便参数校正。
不同的放大倍率与不同的励磁电流构成了多个传统流量计的组合形式，任一组合下，相当于独立的传统电磁流量计在工作，并可以进行无缝切换，仅使用同一套硬件电路和同一套软件算法，极大地节约了成本，提高了资源的使用效率。
为了提高测量精度，按传统方式，对每种组合情况都进行标定，得到多个仪表系数。当电磁流量计工作在某一组合下时，自动调取对应的仪表系数进行流量计算，保证流量计的输出精度的同时，扩大电磁流量计的测量范围。
为了降低标定的复杂度，分别对放大倍率(增益)的影响和励磁电流的影响这两个维度进行分解，构成矩阵式流量计模型。此时，通过固定放大倍率(增益)，或固定励磁电流，分别计算出励磁电流和增益的影响因子，然后推出所有组合的系数，降低标定的要求，节省人力和物力。
总体来说，本发明使用了可控电流源和可控增益放大器，使得信号更容易采集，然后使用了影响因子分解的方法降低了标定的复杂程度，得到这种结构的电磁流量转换器更具有实用价值。
附图说明
图1电磁流量计系统框图；
图2可控制增益放大电路基本原理图；
图3本发明一实施例的倍率可控的放大电路图；
图4传统的恒流励磁电路图(恒流部分)；
图5本发明一实施例的可控恒流励磁电路图；
图6图5的局部放大示图；
图7参考电压发生电路；
图8传统的电磁流量计采集系统基本处理模式。
具体实施方式
以下结合附图1-8对本发明作进一步详细说明。
传统的电磁流量计采集系统的基本处理模式如图8所示，传感器输出的电压极其微弱，因此前置放大电路通常使用仪表放大器对信号进行处理，然后，使用低通滤波器对信号进行滤波处理，再通过隔直电容耦合，去除直流分量，得到低频交流信号，再经过放器电路放大，最后经过电平移动之后，得到方便ADC处理的正值信号，然后再进入ADC。
针对传统的电磁流量计在使用过程中，由于其放大倍率、励磁电流都为固定值，导致其无法实现较大量程比，即对大小流量同时顾及的问题。由于励磁电流固定，流速较低时，根据电磁感应定律，传感器输出的信号将非常地低，受噪声干扰的影响，此时放大电路输出的信号，噪声贡献值比较大，导致计算流量值精度变差，甚至超差。当流速较高时，传感器的输出信号较大，当放大倍率设置较大时，有可能使得运放输出饱和，导致信号失真。
为了解决以上问题，通过可控增益放大器和可控电流源的联合使用，分别对运放电路放大倍率和传感器励磁电流进行自动调控，使得运放电路的最终输出电压不失真且尽可能大，并满足ADC的采集条件，从而实现宽量程比的流量计。
硬件电路固定之后，不同放大倍率(增益)档位的相互关系就是确定的，即每个放大电路可以对应一个系数，通过该系数，可将放大电路的输出电压值换算为固定放大倍率的等效输出电压值。
励磁电流影响传感器的输出电压，通过励磁电流与磁场强度的关系，可知励磁电流与磁场强度成正比，又根据电磁感应定律可知，磁场强度与感应电压成正比，而感应电压与流体的流速成正比，因此，励磁电流与流体流速成正比。即不同励磁电流之间，存在比例关系，可通过系数进行等效换算。
本发明通过自动调整运算放大器的放大倍率，避免人工手动设置，实现自动多档信号放大，从而实现宽量程比。可控增益放大器的基本原理如图2所示，通过控制S1～S3的开关，可以得到不同的放大倍数。为了实现智能控制，通常使用多路复用模拟开关替代S1～S3所示的开关，它可以由单片机直接控制，即放大倍率是由单片机自主设定，可以确定当前运放电路处于哪个放大档位，方便流量的计算。模拟开关有很多种，有单路多通道的、多路多通道的，如常用74HC系列模拟开关和CD405x系列开关。
采集电路设多个放大档位，为每个档位对应一个测量范围，该范围由ADC的采集电压所限定，当计算流速(ADC输入电压一一对应)超出范围时，自动切换档位。档位之间设置重叠的测量区间，当高于本档测量上限或低于本档测量下限时，自动进行切换，由于档位之间存在重叠测量区间，工作模型类似于迟滞比较器，可以有效避免因为干扰等因素，造成误判与频繁切换。这样处理的好处是，提高了模拟放大电路输出的幅值，有利于后续数据采集。
为了降低电源纹波的影响，在运放的电源端上施加RC滤波器，倍率可控放大器的基本原理是改变反馈网络，如图3(本发明一实施例的倍率可控的放大电路图)所示，反馈网络由R38、R39、R40、R41构成，CD4053BPWR芯片的引脚9、10连接到单片机的引脚，单片机通过控制UFB和UFC的控制电平，可得到不同的放大倍率。
传统的恒流励磁电路中，通常使用的恒流电路如图4所示。为了改变励磁电流，通常通过改变电阻的方式实现，但这种方式，一旦实施，在使用过程中励磁电流就成为固定值，即限定了传感器的输出范围。两种方式实现：1、改变分压电阻，2、改变采样电阻。改变分压电阻(R3、R6、R7)的实质是改变运放同相输入端的参考电压，改变采样电阻(R8、R9、R10)的实质是改变电路的反馈电压(反相输入端的电压)，当运放的同相与反相输入端的电压相等时，电压达到平衡状态。励磁电流通过如下公式计算：
为了进一步提高量程比，励磁电路使用可控制恒流源进行调节，为了避免相互干扰，实施光电隔离技术的恒流控制电路，即使用基于PWM控制的恒流控制电路，通过改变PWM的占空比实现电流的调节，为了提高励磁电流的输出精度，对励磁电流进行校正，并将较正的结果保存起来。与传统的励磁恒流电路(图4)不同的是Vref的产生方式不同，传统的方式直接通过电阻分压得到，而本发明使用的是PWM方式的脉冲经过光耦隔离-整形-滤波后的参考电压Vref，如图5(本发明一实施例的可控恒流励磁电路图)所示。
单片机发出的PWM波形，通过高速光电耦合器U4后，经反相器U5整形得到幅值可控的PWM波形，该波形的幅值由V2决定，电阻R15的作用是对反相器的输入端口进行限流保护。反相器U5输出的PWM波形，经过由电阻R16、R17、R18、R21,电容C7、C8、C9，及运算放大器U6B构成的三阶低通滤波器(其中，R16与C8对滤波器具有防止交流信号泄露的意义)，得到参考电压Vref，该参考电压与PWM的占空比成正比。
H桥的输出电流可由式(1)计算。为了降低电源噪声对运算放大器U6A的干扰，在运算放大器U6A的正电源端口上添加RC滤波器(R12、C6)，改善运算放大器U6A的正电源端的纹波，提高运算放大器U6A输出的稳定性，保证输出电流的精度。根据运算放大器U6A的跟随特性，反相输入端的电压与同相输入端一致，即采样电阻R22、R23、R24两端的电压与前级滤波器得到的电压(Vref)一致，根据欧姆定律，可知采样电阻上的电流与PWM的占空比成正比，调节PWM占空比就控制了电路的输出电流。
对于V2的产生，可以由高精度的电压基准芯片提供，也可以使用基准电压分压加运放跟随的方式提供，为了更方便获得相应参考电压，采用后者，即使用基准芯片产生一个参考电压，再由电阻分压器得到目标电压，经过运放跟随器后得到最终的参考电压，跟随器的使用可提高驱动能力。图7(参考电压发生电路)为图5中的反相器U5提供电源电压V2。使用1.25v或2.5v的电压基准芯片U9(TL431或TL432)得到基准电压，经过电阻分压得到参考电压V2ref，V2ref经过运放跟随后，得到输出电压V2，使用电压跟随器的目的是为了降低输出阻抗，提高V2的驱动能力，避免因为V2所带负载变化造成的电压波动，影响到PWM波形的高电平电压值，也是保证电流输出精度的重要措施。
由电磁感应定律可知，不同励磁电流下，励磁线圈上产生的磁场强度不同，传感器输出的信号幅度也不同。而磁感应强度与激励电流成正比，可使用一个比例系数来表征励磁电流对传感器输出信号的影响。为了保证流量计算的精度，对多档励磁电流进行标定，得到励磁电流与传感器输出的关系，从而实现对仪表系数修正。
当流体流速比较低时，传感器的输出电压特别小，此时，受干扰噪声的影响，信噪声比较低，仅通过提高运放的放大倍数，必然导致计算流量的精度下降。为此，在流体流速比较低的情况下，通过加大励磁电流的方式，提高传感器输出的信号电压，达到提高信噪比的目的，从而保证测量精度。当流体流速较大时，传感器的输出电压经过放大电路之后(最小放大倍率情况下)，可能使得输出电压达到了ADC的极限电压，为此，通过降低励磁电流的方式，降低传感器的输出电压，获得更大的量程比。
具体地：
为了精确对电流进行输出控制，在流量计中保存有PWM电流控制电路校正参数，通过校正参数，可计算出目标电流的占空比，以控制励磁电流。为了保证放大器倍率切换时，输出流量的一致性，对各放大倍率下的系数进行标定，得到多个放大倍率下的系数，以便在切换放大倍率时，调用对应系数进行流量计算，后文简称为倍率系数，该倍率系数在固定流量下改变放大器倍率得到；为了保证不同励磁电流下的流量计算精度，在各励磁电流下进行标定，得到多个电流下的比例系数，简称为电流系数。
励磁电流的校正方法：励磁线圈用标准电阻替换，控制励磁激励使得H桥不再交替导通，单片机给定占空比的PWM波，记录下标准电阻两端的电压值(除以电阻得到电流)，由此得到励磁电流与PWM占空比的关系。使用两点法得到线性关系，即先定两个占空比，测得对应的电压值得到电流值，假设两占空比分别为a、b,测得的电压分别为Va、Vb，标准电阻的阻值为R。
| 占空比 | 电压 | 计算电流 |
| a | V<sub>a</sub> | V<sub>a</sub>/R |
| b | V<sub>b</sub> | V<sub>b</sub>/R |
则任意占空比x下的电流为：
任意电流I对应的占空比x为：
校正参数中保存(a,Va)(b，Vb),按上述公式计算出指定电流下占空比。
倍率系数标定方法：在固定流量下进行标定(即固定传感器输出信号，可用信号发生器进行模拟)，通过调节放大倍率，得到并记录对应的ADC值(ADC值就是ADC芯片输出的数字量)，注意，在标定过程中务必保证ADC的电压值满足输入条件，且运算放大器没有饱和失真的情况发生。为了方便说明，假设各档位的放大倍率分别M0、M1、M2，相同传感器输入的情况下，对应的ADC值为ADC0、ADC1、ADC2，由于传感器输入相同，而ADC值与放大电路输出值有一一对应的关系，因此，ADC值与运放放大倍率之间存在如下关系：
令K0＝1
则
由于在放大倍率固定的情况下，ADC值与流量成正比例关系，因此，在档位变换时，通过公式(5)对各ADC值进行归一化变换，即经过公式变换之后，用于计算流量的ADC值一致。
电流系数的标定方法：在多档电流之间切换时，同一传感器，在同一流速下的输出电压会有所不同，在理论上励磁电流与传感器输出信号成正比。为了提高精度，使用标定的方法得到比例关系，能更好的表征实际流量。在同一流速，同一放大倍率情况下，改变励磁电流，记录ADC值，设励磁电流分别为Ia、Ib、Ic，ADC值分别为ADC_a、ADC_b、ADC_c，由于流速固定，必然存在一组系数K，使得下式成立：
ADC_a*Ka＝ADC_b*Kb＝ADC_c*Kc
电流可以在多个档位之间切换，励磁电流越小，则传感器的输出信号越小；放大倍率可以在多个档位之间进地切换，放大倍率越高，ADC的值越大。设一流量计具有3个(可增减)励磁电流档位和3个(可增减)放大倍率档位，假设在放大倍率M0和励磁电流档位Ia下进行了标定，系数分别为(1，K1,K2)(1，Kb,Kc),则可扩展其他系数，如表所示。
(Ia->Ib->Ic M0->M1->M2依次增大)
在档位之间进行切换时，可按表中的系数，对ADC的值进行归一化处理，然后，按照标定点M0流量关系进行流量计算。
刚上电时，流量计以默认预设的励磁电流和放大倍率启动，检测是否处于自动倍率模式，若是，则可自动切换放大倍率，检测是否处于自动电流控制模式，若是则可自动切换励磁电流。
励磁电流最大及放大倍率最大时，即(Ic M2)情况下，可检测的流量下限达到最小；励磁电流最小及放大倍率最小时，即(Ia M0)情况下，可检测的流量上限达到最大。
当检测ADC值(其对应流量)较小的时候，通过增加放大倍率和增加励磁电流的方法来调整，即向图表的右下方调整；当检测ADC值(其对应ADC流量)较大时，通过减小放大倍率和减小励磁电流的式法调整，即向图表的左上方调整。
每个档位的可测量范围，主要受到运算放大器输出不失真及ADC输入电压满足输入要求(通常小于电源电压)的限制，精度可保证的范围，受传感器输出信号信噪比的限制，传感器输出信号越小，噪声贡献的程度就越高，精度就越差。
由于多档位的存在，可以灵活地对档位内的测量上下限进行合理的分配，当测值超出上限或下限时，进行切换，测量范围存在重合区域，在重合区域内保持当前档位不变，超出范围才变换档位。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种电磁流量转换器，其特征在于，包括：电源电路、可控恒流励磁电路、可控恒流源、励磁检测电路、可控放大电路、AD转换电路、空管检测电路、键盘与显示电路和通信接口电路；其中，电源电路使用隔离式开关电源，提供多组不同的电压，为电磁流量转换器提供稳定的隔离电源；可控恒流励磁电路用于为传感器的励磁线圈提供方向可控的电流；可控恒流源用于控制可控恒流励磁电路流过励磁线圈的电流；励磁检测电路用于判断可控恒流励磁电路是否正常工作；可控放大电路用于对模拟电压信号进行差分采集、带通滤波、电平移动处理，使输出电压信号便于AD转换；AD转换电路用于处理可控放大电路输出的电压信号，把模拟量转换为数字量，方便MCU进行处理；空管检测电路用于判断液体是否满管；键盘和显示电路用于实现本地的人机交互；通信接口电路，用于实现远程数据交互。
2.如权利要求1所述的电磁流量转换器，其特征在于：可控放大电路包括：CD4053BPWR芯片、运算放大器U10A、运算放大器U10B、电阻R30、R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41和电容C12、C13、C14、C15、C16、C17、C18；
CD4053BPWR芯片的引脚16接+5V电源；CD4053BPWR芯片的引脚6、引脚8接地；CD4053BPWR芯片的引脚9、10连接到单片机的引脚；CD4053BPWR芯片的引脚2与引脚4连接；CD4053BPWR芯片的引脚7接-5V电源，同时通过电容C18接地；电阻R38、R39、R40、R41串联，电阻R41未与R40连接的一端接地；CD4053BPWR芯片的引脚1与电阻R38、R39之间的节点连接，芯片的引脚3与电阻R39、R40之间的节点连接，芯片的引脚5与电阻R40、R41之间的节点连接；电阻R38未与电阻R39连接的一端与电阻R35的一端和运算放大器U10A的输出端分别连接；电阻R35的另一端与电阻R36的一端和运算放大器U10B的反相输入端分别连接，运算放大器U10B的输出端与电阻R36的另一端和电阻R34的一端分别连接；电阻R34的另一端与电容C15的一端和ADC输入端分别连接，电容C15的另一端接地；运算放大器U10B的同相输入端与电容C13、电阻R30、电阻R31的一端分别连接，电阻R31的另一端与电容C13的另一端、电容C12的一端连接并接地；电容C12的另一端与电阻R30的另一端连接并接+5V电源；运算放大器U10A的反相输入端与CD4053BPWR芯片的引脚15连接；运算放大器U10A的同相输入端与电阻R33的一端连接，电阻R33的另一端接模拟电压信号；运算放大器U10A的正电源端与电阻R32的一端和电容C14的一端分别连接，电阻R32的另一端接+5V电源，电容C14的另一端接地；运算放大器U10A的负电源端与电阻R37的一端和电容C16的一端分别连接，电阻R37的另一端接-5V电源，电容C16的另一端接地。
3.如权利要求2所述的电磁流量转换器，其特征在于：运算放大器U10A和运算放大器U10B的型号为TL072IDR或TLC2272AI。
4.如权利要求1所述的电磁流量转换器，其特征在于：可控恒流励磁电路包括：光电耦合器、反相器U5、运算放大器U6B、运算放大器U6A、金属-氧化物半导体场效应晶体管、H桥电路、电阻R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24和电容C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10；
光电耦合器的引脚2通过电阻R13接至电源3.3V；光电耦合器的引脚3接PWM信号；光电耦合器的引脚5接地；光电耦合器的引脚6与电阻R14的一端、R15的一端分别连接，光电耦合器的引脚8接电阻R11的一端；电阻R14的另一端、电阻R11的另一端以及电容C5的一端连接，并接V1；电容C5的另一端接地；电阻R15的另一端接反相器U5的输入端，反相器U5的输出端接电阻R16的一端，电阻R16的另一端与电阻R17的一端、电容C8的一端分别连接，电容C8的另一端接地；电阻R17的另一端与电阻R18的一端、电容C7的一端分别连接，电阻R18的另一端与运算放大器U6B的同相输入端、电容C9的一端分别连接，电容C9的另一端接地；运算放大器U6B的反相输入端接电阻R21的一端，电阻R21的另一端、电容C7的另一端、运算放大器U6B的输出端均接运算放大器U6A的同相输入端，运算放大器U6A的负电源端接地，运算放大器U6A的正电源端使用电阻R12和电容C6构成的低功滤波器，对电源噪声进行抑制；运算放大器U6A的反相输入端与电阻R20的一端和电容C10的一端分别连接；电阻R20的另一端与电阻R22、R23、R24的一端分别连接，电阻R22、R23、R24的另一端连接并接地；电容C10的另一端接运算放大器U6A的输出端；运算放大器U6A的输出端接电阻R19的一端，电阻R19的另一端接金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极，金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极接H桥电路，H桥电路的源极与电阻R22、R23、R24的一端分别连接。
5.如权利要求4所述的电磁流量转换器，其特征在于：反相器U5的型号为SN74AHC1G04；光电耦合器使用高速光电耦合器，型号为6N137；运算放大器U6B、运算放大器U6A的型号为TLC27L2IDR；金属-氧化物半导体场效应晶体管是MOS管，型号为ZVN2120。
6.如权利要求4所述的电磁流量转换器，其特征在于：反相器U5的电源电压V2由高精度的电压基准芯片提供。
7.如权利要求4所述的电磁流量转换器，其特征在于：反相器U5的电源电压V2由参考电压发生电路提供，参考电压发生电路使用基准电压分压加运放跟随的方式；使用1.25v或2.5v的电压基准芯片得到基准电压，经过电阻分压得到参考电压V2ref，V2ref经过运放跟随后，得到电源电压V2。
8.如权利要求1所述的电磁流量转换器，其特征在于：通信接口电路包括RS485模块、4-20mA模块、hart模块、蓝牙模块、wifi模块、sub-g模块。
9.如权利要求1所述的电磁流量转换器，其特征在于：电磁流量转换器具有多档位校正参数存储和调用功能，根据当前计算流量对可控放大电路和可控励磁电流进行自动调整；不同放大倍率、不同励磁电流形成多种测量组合形式，每个组合设定一个测量范围，使得组合之间存在重叠测量区间，当计算流量超出本档位测量范围时，执行档位切换，避免频繁切换档位；为了提高测量精度，每个组合下都有一个经标定的仪表系数；为了降低标定复杂度，通过对放大倍率和励磁电流进行影响因子分解，分别标定出单独改变放大倍率与励磁电流的影响因子，进而得到所有组合的仪表系数。
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